石头河流域水库联调系统白云峡水库规划研究

马永胜，霍 磊，王 凯

（陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西 西安 710001）

1 工程概况

石头河是渭河南岸一级支流，黄河的二级支流，自南向北，流经太白县桃川、鹦鸽乡，于眉县斜峪关出山后再经15 km河道于眉县县城东汇入渭河，全长68.6 km，扇形流域面积778 km2。石头河水库是以城市供水为主，结合灌溉、发电、防洪、养殖、生态补水等综合利用的大（2）型水利枢纽工程。引红济石工程建成后，石头河水库入库水量将增加0.92亿m3，加上石头河来水3.64亿m3，实际可用水量约为共4.56亿m3，经石头河水库统一调度，以先生活、后生产的供水原则进行供水。

有关石头河流域内白云峡水库的建设，早在1974年陕西省水利电力勘测设计研究院在历次规划基础上完成《陕西省渭河流域综合治理规划》，该规划首次正式提出在石头河干流上有两级开发方案。第一级即为上游的白云峡水库，第二级为下游的石头河水库。此外，2017年完成《关中水系规划》，对于渭河干流生态水量还可从洪水资源化角度考虑解决，通过在两岸支流上建设生态水库，汛期蓄存洪水，枯水期泄放河道用以补充河道生态流量，改善渭河生态水不足状况。该规划中也明确提出在石头河流域内建设白云峡水库工程。

石头河流域多年平均径流量3.9亿m3，来水主要集中在主汛期7月、8月、9月，三个月来水量约占全年来水总量的七成左右，石头河水库坝高库容小，水库调蓄能力有限。水库弃水较大，特别是“引红济石”工程投入实施后，年均可向石头河水库引水9500万m3，届时石头河水库的调蓄任务更为艰巨，若不增加新的调蓄工程，势必会造成大量弃水产生，“引红济石”工程所调水量无法有效利用。特别是对于石头河流域所辖岐眉灌区，其主要农业灌溉供水水源为石头河水库，由于近年来该灌区作物结构有很大变化，猕猴桃等果木种植比例大，其灌溉用水过程较传统农作物变幅较大，加之近些年该流域径流系列也逐渐偏枯，造成岐眉灌区37万亩农作物灌溉保证率无法达到75%的设计要求。因此，亟需在石头河流域建设规模合理的调蓄工程，与石头河水库及“引红济石”组建有效的联调系统，通过新建调蓄水库，补充石头河水库调节能力不足，从而使岐眉灌区作物满足设计保证率要求，用好用活石头河流域水资源及“引红济石”工程调水。

2 规划设计方案及联合调度模型

2.1 规划设计白云峡建库方案

石头河干流控制流域面积较大，水量较为丰沛，水资源条件，但由于干流受地形条件约束、河道旁有鹦鸽镇、桃川镇等较大乡镇涉及移民淹没问题严重，以及受沿河修建的姜眉公路高程较低的制约，无法修建较大的控制性水库工程；白云峡支流流域水资源量虽较少，但白云峡内沟深人少，具备修建较大的控制性水库工程的地质地形以及淹没条件[1]。因此，按照调蓄工程所在位置，本工程规划设计为支流建库方案，具体设计方案位置见图1。

图1 石头河流域已建及拟建工程布置示图

2.2 方案研究需水及联合调度模型

2.2.1 设计需水量

石头河水库及引红济石工程的供水对象为城市需水以及农业灌溉需水，白云峡水库供给石头河水库供农业用水后的缺口。因此，白云峡水库只补充提高岐眉灌区的农业供水量并使得岐眉灌区灌溉保证率从目前约50%提高到75%以上。

（1）城市需水量

设计采用原《引红济石工程初步设计》报告中的城市供水对象、城市需水量及其保证率。城市需水量合计为22890万m3，城市供水保证率要求为93%。其需水过程见表1。

表1 城市需水量汇总成果表 单位：万m3

（2）农业灌溉需水量

岐眉灌区灌溉面积37万亩。根据《陕西省行业用水定额》，按照实际调查的各种作物种植比例结构，拟定不同频率的（丰水年（P=25%）、平水年（P=50%）和枯水年（P=75%））三种灌溉制度。考虑灌区复种指数以及灌区节水改造实施后的灌区灌溉水利用系数。依据长系列降雨资料，按照不同丰枯水平，对长系列灌溉需水过程进行匹配，灌区丰水年（P=25%）（其中P=0～33.3%以丰水年计）、平水年（P=50%）（其中P=33.3%～66.7%以平水年计）、枯水年(P=75%)（其中P=66.7%～100%以枯水年计），匹配出长系列逐旬灌溉需水过程，并按照不同丰枯水平年的每年需水过程，统计出灌区的多年平均农业灌溉需水量10728 万 m3。

2.2.2 三水源联合调度模型设计

对联合调度系统进行整体设计，以系统分析的方法确定其最优联合调度方式，使得系统获得的效益最大化[2]。因此，白云峡水库工程所涉及的三水源联合调度模型原则如下：

1）工程涉及石头河水库与白云峡水库以及引红济石调水合计三水源，需建立联合调度模型，进行联合调节；

2）首先扣除引红济石断面以及石头河坝址、白云峡坝址断面生态用水，在此基础上，先用石头河水库及引红济石来水分别满足城市及农业需水要求，有余水充库；若不满足，则再用白云峡水库满足农业需水要求，当满足农业需水时，若白云峡水库有余水亦可依次补蓄白云峡水库以及石头河水库；

3）在调节过程中，应充分发挥石头河水库以及引红济石已成工程的设计能力，优先利用石头河水库与引红济石工程的水量，不足部分再根据“以缺定调”原则利用白云峡水库调蓄，并且尽可能减少石头河水库的弃水量。

3 水库调节计算及运行方式研究

3.1 白云峡水库运行方式

水库运行方式确定，结合水库特性及其所在流域调度系统中所起的作用等[3]。

1）充分发挥石头河水库以及引红济石已成工程的设计能力，优先其可供水量，其缺口利用白云峡水库调蓄，减少石头河水库的弃水量；

2）先用石头河水库及引红济石来水满足城市及农业需水要求，若不满足，其农业用水缺口再用白云峡水库满足需水要求；

3）若上述需水均满足时，有余水应按照上下游关系，先补蓄白云峡水库，后补蓄石头河水库。

3.2 优化调节边界条件

1）已成石头河水库工程、引红济石调水工程，拟建白云峡水库工程均采用1971年～2012年共41年长系列径流资料，进行三水源两库联合调节；

2）引红济石工程关山断面预留生态流量为0.38 m3/s，设计流量为13.5 m3/s；

3）石头河水库及白云峡水库按照多年平均径流量的10%预留生态水；

4）石头河水库的正常蓄水位801 m，汛限水位798 m，死水位728 m，调节库容为1.17亿m3；

5）灌溉需水量为10728万m3，考虑到灌区现有水源设施多年平均灌溉供水量约为4156万m3，因此灌区多年平均缺水量6572万m3；引红济石从关山调水水量扣除2%损失；

6）调节系统应优先满足城市需水量，其次满足农业需水，并可利用多余水量按照从上到下的原则分别补蓄白云峡及石头河水库。

3.3 三水源联合调度流程图

建立联调系统的调度流程见图2，将有利于计算机模块化高效计算[4]。

图2 白云峡水库工程三水源联合调度流程图

3.4 调节结果分析

按照上述调节计算原则方法及其边界条件，以白云峡支流建库设计，进行不同方案的长系列调节计算，白云峡水库设计坝后式电站，水库电站主要是利用生态水、水库灌溉供水以及部分弃水进行发电。水能计算是结合水库调节计算结果，按以上几部分水量的下放过程和水库消落深度的变幅进行水能计算和装机规模确定，其长系列调节计算见表2。

表2 白云峡水库工程方案调节对比分析表 单位：万m3

白云峡支流建库方案在基本维持原石头河水库生活及农业供水规模情况下，支流建库方案下的白云峡水库农业灌溉增供水量为344.8万m3，农业灌溉保证率同样从原来54.8%提高到76.2%，所需白云峡水库支流建库的调节库容为2000万m3。根据机组匹配后的水能计算结果：生态基流、农业供水及部分弃水常遇流量多集中于3.5 m3/s以下，其在高效水头下的出力基本在2500 kW。

3.5 灌溉效益评价

对白云峡支流建库方案对农业灌溉的补水作用以及提高灌溉保证率的实际效益分析，见图3、表3。

图3 白云峡支流建库方案长系列农业灌溉补水过程对比图

表3 白云峡支流建库方案灌溉补水量频率统计表

以支流建库方案进行41年长系列调节结果分析，农灌供水需要发挥白云峡水库调蓄作用年份为18年占长系列44%。白云峡水库多年平均增供水量虽只有344万m3，但从长系列供水过程看，特枯年份如1993年～1994年及1976～1977年白云峡水库增加农灌供水量分别为3257万m3、2108万m3约占该时段联调系统农灌需水量一半。

白云峡水库在特枯年份具备补偿石头河水库农灌缺口的关键作用。

4 结论

通过对石头河流域水库联调系统白云峡水库工程规模及调度运行方式的确定，需综合考虑流域内水资源需求情况，需水对象需水特点，以及水文、地质、工程布置等特性，进行多方案组合比选，通过建立多水源联合优化调度模型，律定调度调节各参数，模拟联合调度系统水库调度过程，从而最终确定合理可行的联控联调系统内各主要工程的规划及其在系统内的调度作用。从工程具体结果看，白云峡水库工程在满足既定岐眉灌区37万亩灌溉需水量及灌溉保证率75%支流建库方案在基本维持原石头河水库生活及农业供水规模情况下，两方案新增农灌溉增供水量344.6万m3，农业灌溉保证率从原来的54.8%提高到76.2%。虽然工程所补充的农业灌溉供水量不大，但进一步通过过程分析，其灌溉补水量多补充为特枯年份的严重缺水时段，对于提高系统整体农业灌溉保证程度作用明显。同时，联合调度系统的建立对于类似工程具有借鉴意义。